纖維微表處的路用性能驗證

孫 濤，段緒斌

（1.天津濱海新區建設投資集團有限公司，天津市 300457；2.天津市市政工程設計研究院，天津市 300051）

0 引言

微表處是一種專門為高速公路、城市干線、機場路面等高等級路面表層設計的養護技術。它由聚合物改性乳化瀝青、100%壓碎集料、礦物填料、水和必要的添加劑組成。微表處作為高等級公路經濟有效的養護方法，已受到越來越多的重視。但是，隨著近幾年鋪筑微表處工程的增多，微表處也出現了諸多問題，如：抗裂性能差、耐用性較差，不能滿足重交通量的要求；而且，微表處技術目前用來填補比較厚（大于1.5 cm）的車轍時，普通微表處已不能很好地抵抗車轍變形。因此，為了使微表處有更好的路用效果，以滿足重交通的要求，各有關科研單位都進行了改進微表處的研究。本文在此前研究的基礎上，進一步對已得出的纖維微表處在最佳油石比條件下的路用性能進行驗證，以期能夠解決普通微表處的不足。

1 原材料與級配

1.1 試驗用原材料

（1）改性乳化瀝青

用于微表處的改性乳化瀝青，既要滿足道路石油瀝青標準，還要滿足微表處級配礦料的拌和要求，也就是乳液和礦料在拌和、攤鋪過程中，稀漿混合料必須均勻、不破乳、不離析、處于良好流動狀態，微表處鋪設后成型時間可以控制在l～2 h左右。試驗中所用材料選用埃索70#基質瀝青、河南新鄉某公司產的MK-06型乳化劑，以及山東淄博某公司產的SBR改性劑。技術指標均能滿足由交通部公路科學研究所等單位承擔的交通部“乳化石油瀝青技術要求修訂”項目研究中提出的微表處用改性乳化瀝青技術要求。

（2）礦料

試驗采用的石料是河北武安產玄武巖（規格為 3～5 mm、5～10 mm）、石灰巖機制砂(0～3mm)。

（3）纖維

纖維微表處就是摻入合成纖維的微表處，其作用是通過纖維的加筋與橋接作用，以提高微表處的力學性能。纖維的種類、纖維的材料一直是國內外工程界人士研究的課題。目前，纖維通常分為硬纖維和軟纖維兩類。硬纖維通常是指經過拉、拔、軋、切工藝制作的鋼纖維。軟纖維是由合成纖維制成。軟纖維一般分為兩類：一類為木質素纖維、聚醋纖維、聚丙烯睛等為代表的聚合物有機纖維；另一類為石棉纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維等為代表的礦物無機纖維。目前路用纖維主要集中在聚合物化學纖維、木質素纖維、礦物纖維三大類。

通過相關檢測機構的檢測，聚丙烯纖維可以有效提高混凝土的抗裂能力，大大提高混凝土的抗滲性能，顯著提高混凝土的抗沖擊性能和耐磨性能，并且可以提高混凝土的抗凍性能。

由于聚丙烯纖維具有的上述優點，可以有效解決我們目前所面臨的問題。因此建議在本項目中采用聚丙烯纖維。本次試驗使用了兩個生產廠家的聚丙烯纖維，一種為江蘇鹽城產的聚丙烯纖維甲，另一種為江蘇射陽產的聚丙烯纖維乙，其中聚丙烯纖維乙又分為表面經過化學處理和未經過化學處理兩種。

1.2 試驗用級配

級配采用MS-3型級配，見表1和圖1。

2 性能驗證試驗

下面將通過肯塔堡飛散試驗和車轍試驗來驗證最佳分散方法、摻量及最佳油石比條件下的纖維微表處的抗松散性能和高溫穩定性等性能[1，2]。

表1 集料級配表

圖1 MS-3型級配

2.1 肯塔堡飛散試驗

肯塔堡飛散試驗原本是用于確定熱瀝青的最小瀝青用量和用于評價由于瀝青用量或黏結性不足，在交通荷載作用下路面表面集料脫落而散失的程度。

乳化瀝青混合料初期抗松散性借鑒規范中評價熱拌瀝青混合料的黏結性時所采用的肯塔堡飛散試驗，同時根據乳化瀝青混合料的特點，對該試驗進行修正以評價乳化瀝青混合料的抗松散性。取前期養生條件下的試件直接放入洛杉磯磨耗試驗機內進行試驗，實驗時間為5 min，即洛杉磯磨耗試驗機以30 r/min的速度旋轉150轉。試件的成型采用再修正馬歇爾成型方法[2]。

分別在最佳油石比下，加纖維與未加纖維對比混合料的飛散試驗結果如表2所列。從飛散試驗結果可以看出，摻入纖維后其飛散損失率降低了近50%，表明纖維微表處比未加纖維的微表處的抗松散性能要好很多，見圖2。

表2 加纖維與未加纖維飛散損失率對比

這是由于纖維具有良好的耐磨阻特性，纖維可形成保護集料的保護層。纖維增韌的瀝青膠漿對集料顆粒黏裹力增大，使整體不易分散，同樣改善了瀝青面層的抗松散性能。

圖2 飛散試驗結果對比

摻入高抗拉強度及高模量的纖維使材料具有很高的韌性。對纖維瀝青混合料而言，即使已出現部分松散，纖維的橋接作用仍可使材料繼續承受外載作用，變形能力增強。韌性實際上表示材料在外載作用下吸收能量的能力，其含義是材料不僅應具有足夠的強度，還須具有良好的變形（包括彈性變形或黏性變形）能力，可用應力—應變關系定量描述。通過常用材料的應力—應變曲線所包圍的面積Ω來表示：

從韌性定義可知，韌度的大小不僅取決于材料的強度，也取決于材料破壞時的變形性能。材料的強度高，但變形能力低，或變形能力高但強度低，其韌性都不會大，抗裂性能自然也不會好。隨著微表處使用時間的增長，瀝青材料會不斷老化，不斷變脆，韌性減小，這時就需要采取措施增強其韌性，而添加纖維是一種很好的選擇，選用合適的纖維種類和摻量可以使微表處的變形能力也得到增強，同時纖維的橋接作用還可以使得微表處的整體性大大增強，從而改善其抗松散性能。

2.2 車轍試驗

對于車轍試驗來說，試驗環境溫度將是影響動穩定度最敏感的環境條件（即在配重等儀器參數確定時）。微表處混合料為乳化瀝青混合料，不同于一般的熱瀝青。試驗表明，如果仍然采用60℃的試驗溫度，動穩定度值很小，而且其測定難度也會很大，所以很有必要提出一個合理的車轍試驗溫度。

從乳化瀝青原料的性能、試驗難易性以及與車轍試驗溫度的統一性考慮，車轍試驗溫度應該確定為45℃是比較合理的。

采用人工拌和方式進行拌和。先將石料拌和均勻（如果是加纖維的，則在此前要把石料預加熱到90℃～100℃，此時取出后再加入水泥礦粉和纖維，并攪拌均勻），然后加入適量的水，攪拌使石料表面潤濕，待攪拌均勻后加入定量的乳化瀝青，拌勻（拌和時漿狀偏稀）拌至混合料破乳后倒入瓷盤中攤開，放入60℃烘箱中烘約20 h后，碾壓成型，成型后試件再室溫放置20 h，然后放入45℃恒溫儀中恒溫5 h，進行試驗，其試驗條件見表3。

分別在最佳油石比下，加纖維與未加纖維對比混合料的車轍試驗結果如表4所列。從車轍試驗結果可以看出，摻入纖維后其動穩定度提高了一倍多，且車轍試驗的總變形值均小于未加纖維的混合料，其規律與動穩定度相一致，表明纖維微表處比未加纖維的微表處的高溫穩定性要好很多。

微表處高溫變形能力強弱，同瀝青黏結強度下降速度有很大關系?？v橫交錯的纖維所吸附的瀝青，增大了結構瀝青的比例，減少了自由瀝青，使瀝青膠漿黏滯性增強，軟化點提高20℃以上，瀝青膜處于比較穩定的狀態，從而使微表處的高溫穩定性提高。纖維均勻分散在集料之間，使瀝青礦粉不能形成膠團，減少油斑出現的機率。同時，在夏天高溫季節，纖維內部的空隙還將成為一種緩沖的余地，不致成為自由瀝青而泛油，也有利于微表處的高溫穩定性。

表3 車轍試驗條件

表4 車轍試驗結果

3 結論

通過以上對纖維微表處配合比設計方法的研究，得到以下結論：

（1）在微表處中加入纖維后，改善了微表處的高溫穩定性，由于纖維的三維分布，同時與瀝青具有很強的吸附性，且不纏繞，使混合料的黏聚力增加，再加上縱橫交錯的纖維單絲的加筋和橋接作用，降低了瀝青的流動性，限制了集料的側向位移和流動，提高了微表處的穩定性和抗車轍能力。

（2）在微表處中加入纖維后，提高了微表處的抗松散性，纖維有很好的分散性，在瀝青混凝土中以三維立體方式對混合料進行加強，為瀝青混凝土提供巨大內聚力，并因加筋橋接作用，抑制了混合料的開裂剝落。

（3）為了適應微表處混合料的特殊結構特點，經過45℃、60℃車轍試驗對比評價，最后確定采用45℃車轍試驗對高溫性能進行評價比較合理。同時建議將其作為微表處抗高溫車轍的重要的路用性能指標。

[1]杜鵬.分散方法和摻量對纖維微表處性能影響分析[J].中國市政工程,2013（1）：84-86.

[2]杜鵬.纖維微表處最佳油石比確定方法[J].中國市政工程,2012（2）：9-11.

[3]封基良.纖維瀝青混合料增強機理及其性能研究[D]：南京：東南大學，2006

[4]JTG/T F40-02—2005，微表處和稀漿封層技術指南 [S].

[5]虎增福,曾赟編.乳化瀝青及稀漿封層技術[M].北京：人民交通出版社，2001.

[6]封基良.纖維瀝青混合料增強機理及其性能研究[D].南京：東南大學，2006.